專利名稱：氫氧化銨中溫水飽和預(yù)處理提高麥秸生物氣產(chǎn)量的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于生物質(zhì)能源領(lǐng)域，具體涉及一種利用氫氧化銨作為氨化預(yù)處理劑，在中溫水飽和條件下對(duì)麥秸進(jìn)行預(yù)處理，然后進(jìn)行厭氧消化產(chǎn)生生物氣的方法。
背景技術(shù)：
我國(guó)是發(fā)展中國(guó)家，也是農(nóng)業(yè)大國(guó)，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源短缺與發(fā)展存在諸多的不平衡。然而農(nóng)業(yè)生產(chǎn)殘留的農(nóng)作物麥秸卻沒(méi)有得到有效利用。農(nóng)作物麥秸作為最大的生物質(zhì)能源之一，可通過(guò)多種途徑轉(zhuǎn)化成生物質(zhì)能，從而緩解我國(guó)能源短缺的現(xiàn)狀， 對(duì)我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。通過(guò)厭氧消化技術(shù)把麥秸轉(zhuǎn)化為清潔能源——生物氣，是解決農(nóng)作物麥秸浪費(fèi)和實(shí)現(xiàn)資源化利用的一條有效途徑。不同于一般的厭氧消化原料，麥秸的木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)特殊，且含量較高，而厭氧微生物對(duì)木質(zhì)纖維素的降解能力又較弱，導(dǎo)致常規(guī)厭氧消化過(guò)程緩慢、消化效率低、產(chǎn)氣量少、投入產(chǎn)出效益差等，限制了麥秸用于生物氣生產(chǎn)的大規(guī)模應(yīng)用。通過(guò)對(duì)麥秸進(jìn)行預(yù)處理，可以提高其厭氧消化性能。目前的預(yù)處理方法有物理、 生物和化學(xué)方法。化學(xué)處理方法以其處理效果好和操作方便等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用?；瘜W(xué)預(yù)處理中堿化技術(shù)尤其是NaOH的處理效果最好,但文獻(xiàn)鄭明霞Enhancing anaerobic biogasfication of corn stove through wet state NaOH pretreatment. Bioresource Technology, 2009,100 :5140-5145的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)由于NaOH堿度太大，廢液污染環(huán)境、對(duì)反應(yīng)器的要求較高、且在厭氧消化階段需添加微生物所需要的N源、鈉離子對(duì)厭氧消化系統(tǒng)產(chǎn)生抑制等因素導(dǎo)致其成本較高。氨化技術(shù)由于同時(shí)具有堿化作用、又能提供氮源、中和潛在酸性等優(yōu)勢(shì)而被大家廣泛應(yīng)用于提高其飼料價(jià)值，但用于厭氧消化產(chǎn)氣時(shí)，如果含水率較低會(huì)導(dǎo)致其預(yù)處理時(shí)間較長(zhǎng)，產(chǎn)氣量提高有限。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所提供的氫氧化銨中溫水飽和預(yù)處理提高麥秸生物氣產(chǎn)量的方法，包括以下步驟A.將氨水、水和粉碎后的麥秸混合均勻，于30_35°C下密封保存7天，出料；所述的麥秸為麥秸、玉米秸和稻草等農(nóng)作物麥秸，將麥秸粉碎至不大于2cm。所述的氨水(NH3 · H2O)濃度為25 %，其添加量按氨(NH3)含量占麥秸干重的2 6%計(jì)。所添加的水量應(yīng)使預(yù)處理后麥秸的含水率為70 80%之間，此時(shí)總的含水量占麥秸干重的4-7倍，此時(shí)麥秸處于飽和狀態(tài)，水能夠充分發(fā)揮載體作用，而使氨到達(dá)麥秸的纖維層，從而達(dá)到最佳的預(yù)處理效果，因此稱為“水飽和預(yù)處理”。B.向厭氧消化裝置中投加預(yù)處理后的麥秸和接種污泥，并加水至反應(yīng)器總?cè)莘e的 75 80 %，形成混合懸浮液，連接好產(chǎn)氣裝置，使物料在(35 土 I) V的溫度下進(jìn)行厭氧發(fā)酵50 60天?；旌蠎腋∫褐宣溄盏奶砑恿繛?0 65g干麥秸/L，其中厭氧消化污泥的含量為 MLSS = 15g/L(麥秸不計(jì)在內(nèi))。測(cè)定預(yù)處理前后及厭氧發(fā)酵前后進(jìn)出料的總固體含量TS和總揮發(fā)性固體VS，C/N 比，總產(chǎn)氣量、單位VS產(chǎn)氣量等參數(shù)，以評(píng)價(jià)氨化水飽和預(yù)處理的效果。本方法具有以下有益效果I)氨化水飽和預(yù)處理后中添加的水既能充分發(fā)揮氨化預(yù)處理的效果，破壞麥秸內(nèi)木質(zhì)纖維素的結(jié)構(gòu)和改變其化學(xué)成分，使麥秸易于降解；有效避免使用高濃度堿而造成干物質(zhì)損失大，對(duì)后續(xù)厭氧消化不利等缺陷；同時(shí)，麥秸已達(dá)到近水飽和狀態(tài)，充分受到浸潤(rùn)， 而又不存在多余的殘液，此時(shí)能夠充分發(fā)揮水在氨化預(yù)處理過(guò)程的載體作用，使小分子氨充分接觸到木質(zhì)纖維素組分，有效縮短氨化預(yù)處理的時(shí)間，提高氨化預(yù)處理的效果。2)氨化水飽和預(yù)處理除起到堿性預(yù)處理的效果，同時(shí)氨的添加量能夠提供厭氧消化階段微生物生產(chǎn)所需要的N源。氨化預(yù)處理后消化系統(tǒng)內(nèi)C/N比在25 40范圍內(nèi)，無(wú)需額外為厭氧消化裝置投加N源，彌補(bǔ)了 NaOH預(yù)處理后麥秸進(jìn)行厭氧消化仍需補(bǔ)充N源的缺陷，降低了麥秸預(yù)處理后進(jìn)行厭氧消化生產(chǎn)生物氣的成本。3)氨化作用后的麥秸直接用于厭氧消化能對(duì)麥秸厭氧消化過(guò)程中反應(yīng)液pH值的降低起到很好的緩沖作用，避免酸化現(xiàn)象的出現(xiàn)，更易于達(dá)到穩(wěn)定的產(chǎn)氣效果。同時(shí)氨的添加量又不會(huì)使整個(gè)厭氧消化系統(tǒng)的游離氨的濃度過(guò)高而產(chǎn)生氨抑制效應(yīng)，整個(gè)消化過(guò)程運(yùn)行平穩(wěn)，僅需25 27天。4)相對(duì)于未經(jīng)預(yù)處理的麥秸，氨化水飽和預(yù)處理后麥秸生物氣產(chǎn)量能達(dá)到 25. 7 44. 9L，單位VS產(chǎn)甲烷量能達(dá)到173 200mLCH4/gVS。生物氣產(chǎn)量和單位VS產(chǎn)甲烷量均與NaOH預(yù)處理結(jié)果相當(dāng)，且生物氣產(chǎn)量高于馬淑勅氨化預(yù)處理的效果。因此氨化水飽和預(yù)處理能夠顯著提高了麥秸的生物氣產(chǎn)量和產(chǎn)率，大大節(jié)省了預(yù)處理及運(yùn)行成本，更適合大規(guī)模生產(chǎn)。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例I分別將6. OmL, 7. 8mL和9. 6mL, 25 % (m/V)的氨水分別均勻噴灑在79g，102g和 126g粉碎后的麥秸上，分別加入230mL，300mL和370mL水后混合均勻。此時(shí)氨含量均為麥麥秸重的2 %，麥秸含水率均為76 %，密封所有物料后在(35 土 I) 1溫度下密封保存7天，出料；將上述氨化預(yù)處理后麥秸分別加入2. OL的消化反應(yīng)器中，加入360g消化污泥使消化系統(tǒng)的混合液懸浮固體濃度為MLSS = 15g/L，加入水使其反應(yīng)總體積為1.5L，均勻混合整個(gè)消化液，此時(shí)麥秸負(fù)荷率分別為50g/L，65g/L和80g/L將反應(yīng)器密封于35°C厭氧反應(yīng)55天，每天測(cè)定日產(chǎn)氣量和甲烷含量。累積產(chǎn)氣量，累積產(chǎn)甲烷量，單位VS產(chǎn)甲烷量和消化時(shí)間見(jiàn)表I。實(shí)施例2將12. OmL, 15. 6mL和 19. 2mL, 25% (m/V)的氨水分別均勻噴灑在 79g, 102g和 126g 粉碎后的麥稻上，再分別加入240mL, 360mL和370mL水后混合均勻。此時(shí)氨含量為麥麥稻(35 ± I) °〇溫度下密封保存7天，出
重的4%，麥秸含水率為76 79%，
料；將上述氨化預(yù)處理后麥秸按實(shí)例I所述發(fā)酵條件進(jìn)行厭氧發(fā)酵，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表I實(shí)施例3將18. OmL, 23. 4mL和 28. 8mL, 25% (m/V)的氨水分別均勻噴灑在 79g, 102g和 126g 粉碎后的麥稻上，再分別加入280mL,320mL和400mL水后混合均勻。此時(shí)氨含量為麥麥稻重的6 %，麥秸含水率為77 79%，密封所有物料后在(35 ± I) 1溫度下密封保存7天，出料；將上述氨化預(yù)處理后麥秸按實(shí)例I所述發(fā)酵條件進(jìn)行厭氧發(fā)酵，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表I對(duì)比例I分別稱取79g，102g和126g粉碎后的麥秸加入到2L的厭氧消化裝置中，分別加入
3.Og, 4. 25g和5. 50g氯化銨(NH4Cl)，并各加入360g消化污泥，加入一定量的水，使其總反應(yīng)體積為I. 5L，均勻混合整個(gè)消化液，將反應(yīng)器密封于35°C厭氧反應(yīng)60天，每天測(cè)定日產(chǎn)氣量和甲烷含量。累積產(chǎn)氣量，累積產(chǎn)甲烷量，單位VS產(chǎn)甲烷量和消化時(shí)間見(jiàn)表I。
實(shí)施例I 實(shí)施例2 實(shí)施例3 對(duì)比例I
50g/L
65g/L
80g/L
累積產(chǎn)氣量(mL)25720276902917022640累積產(chǎn)甲焼量(mL)13945142441517812311單位VS產(chǎn)甲烷量(InLCH4A^S)173176188138T80 (天)20212223累積產(chǎn)氣量(mL)35360380703645028000累積產(chǎn)甲焼量(mL)18629201501905114195單位VS產(chǎn)甲烷量(InLCH4A^S)187200189147T80 (天)21252833累積產(chǎn)氣量(mL)40500448804403030820累積產(chǎn)甲焼量(mL)21330233942197615395單位VS產(chǎn)甲烷量(InLCH4A^S)176191181128T80 (天)24294545從表I可以看出與對(duì)比例相比，在50g/L負(fù)荷率下氨化預(yù)處理后麥秸的的總產(chǎn)氣量提高了 14 29%，甲烷產(chǎn)量提高了 13 23%，單位VS產(chǎn)甲烷量提高了 25 36%，消化時(shí)間縮短了 I 3天；在65g/L負(fù)荷率下氨化預(yù)處理后麥秸的的總產(chǎn)氣量提高了 26 36%,甲烷產(chǎn)量提高了 31 42%，單位VS產(chǎn)甲烷量提高了 27 36%，消化時(shí)間縮短了 5 12天；在80g/L負(fù)荷率下氨化預(yù)處理后麥秸的的總產(chǎn)氣量提高了 31 46%，甲烷產(chǎn)量提高了 39 52%，單位VS產(chǎn)甲烷量提高了 38 49%，消化時(shí)間縮短了 O 21天。
權(quán)利要求
1.一種氫氧化銨中溫水飽和預(yù)處理提高麥秸生物氣產(chǎn)量的方法，具體步驟如下A.將氨水、水和粉碎后的麥秸混合均勻，于30-35°C下密封保存7天，出料；所述的麥秸為麥秸、玉米秸和稻草等農(nóng)作物麥秸，將麥秸粉碎至不大于2cm ;所述的氨水(NH3 · H2O)濃度為25%,其添加量按氨(NH3)含量占麥稻干重的2 6%計(jì)；所添加的水量應(yīng)使總的含水量占麥秸干重的4-7倍；B.向厭氧消化裝置中投加預(yù)處理后的麥秸和接種污泥，并加水至反應(yīng)器總?cè)莘e的 75 80 %，形成混合懸浮液，連接好產(chǎn)氣裝置，使物料在(35 土 I) V的溫度下進(jìn)行厭氧發(fā)酵 50 60天；混合懸浮液中麥秸的添加量為50 65g干麥秸/L，厭氧消化污泥的含量為MLSS = 15g/L。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的氫氧化銨中溫水飽和預(yù)處理提高麥秸生物氣產(chǎn)量的方法，其特征是所添加的水量應(yīng)使預(yù)處理后麥秸的含水率為70 80%。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種氫氧化銨中溫水飽和預(yù)處理提高麥秸生物氣產(chǎn)量的方法，屬于生物質(zhì)能源領(lǐng)域。本發(fā)明通過(guò)將氫氧化銨、水和粉碎的麥秸充分混合均勻，達(dá)到水飽和狀態(tài)后，于30-35℃的中溫下密封預(yù)處理7天，然后再進(jìn)行厭氧消化產(chǎn)生沼氣。本發(fā)明中氨化水飽和預(yù)處理不僅能起到相同的堿化預(yù)處理效果，無(wú)廢液產(chǎn)生，又為厭氧消化系統(tǒng)提供了合適的氮源，具有節(jié)約成本，縮短預(yù)處理時(shí)間及消化時(shí)間，提高產(chǎn)氣量等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)C12P5/02GK102604997SQ20121008650
公開(kāi)日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2012年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月28日
發(fā)明者劉研萍, 張亞甜, 朱保寧, 李秀金, 楊懂艷, 袁海榮 申請(qǐng)人:北京化工大學(xué)